生產(chǎn)線三維仿真系統(tǒng)可行性報告.doc

知識水壩（豆丁網(wǎng)pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除）生產(chǎn)線三維仿真系統(tǒng)可行性報告1. 背景和意義現(xiàn)代生產(chǎn)中企業(yè)自動化程度提高，生產(chǎn)系統(tǒng)日漸復(fù)雜，生產(chǎn)速度日漸加快，因此在設(shè)計系統(tǒng)的時候需要面臨很多問題：如何在對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)時減少風(fēng)險、節(jié)約成本和提高培訓(xùn)效率，如何驗證生產(chǎn)大綱以及復(fù)雜設(shè)備的控制邏輯等。這些問題采用傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法和規(guī)劃方法難以解決，在復(fù)雜生產(chǎn)線系統(tǒng)的培訓(xùn)和規(guī)劃上，要找到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合點，就需要借助于一種新的技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)來解決。使用仿真系統(tǒng)，在一個類似游戲的人機(jī)界面上，通過操作虛擬場景中，與現(xiàn)實操作相對應(yīng)的操作設(shè)備，模擬還原現(xiàn)場操作，從而看到虛擬的逼真實際生產(chǎn)過程中系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)的全動作過程，看到生產(chǎn)現(xiàn)場中各輸送、存儲設(shè)備和升降機(jī)、切割機(jī)等設(shè)備的狀態(tài)，以及系統(tǒng)中發(fā)生阻塞和瓶頸的位置和情況；可以改變參數(shù)輸入，通過模擬生產(chǎn)情況及波動對系統(tǒng)造成的沖擊，對系統(tǒng)的堵塞有著形象和直觀的解決方案；一方面能夠精確真實模擬生產(chǎn)線的空間布置、運行情況，驗證生產(chǎn)線產(chǎn)能、節(jié)拍、存儲等規(guī)劃設(shè)計要素的合理性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的瓶頸和對方案進(jìn)行優(yōu)化，使生產(chǎn)線布局更合理有效；另一方面，能夠預(yù)測生產(chǎn)線的性能、制造成本、可制造性，從而更經(jīng)濟(jì)有效地、靈活地組織制造生產(chǎn)，使資源得到合理配置，從而提高整個生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，培訓(xùn)員工的設(shè)備操作能力以及生產(chǎn)宏觀掌控能力。當(dāng)前，系統(tǒng)仿真技術(shù)已成為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具。國際工程公司已將其作為常用的規(guī)劃設(shè)計和分析手段，運用到生產(chǎn)線仿真培訓(xùn)和運行分析中。而在國內(nèi)，對此技術(shù)的應(yīng)用還基本處于起步階段，無論是在生產(chǎn)線仿真培訓(xùn)還是運行管理方面，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)、汽車企業(yè)和工程公司基本還是依賴傳統(tǒng)的方式。因此，生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。2. 可行性分析生產(chǎn)線進(jìn)行仿真通常需經(jīng)過三個步驟：建立生產(chǎn)線三維仿真場景；仿真模型參數(shù)設(shè)置和仿真流程控制；仿真模型的運行、驗證與結(jié)果分析。其中，建立正確的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，并且確定各組成要素以及表征這些要素的狀態(tài)變量和參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，是整個仿真過程能夠正確進(jìn)行并獲得符合實際情況的仿真結(jié)果的基礎(chǔ)。生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)包括三個基本的過程：建立三維場景模型、建立仿真模型和仿真試驗。下面就這三個方面的可行性進(jìn)行分析。 1、建立三維場景模型建立仿真系統(tǒng)首先要對生產(chǎn)線的各個部分進(jìn)行三維造型，并根據(jù)所建立的模型構(gòu)建生產(chǎn)線的三維模型庫，從三維模型庫中調(diào)用相應(yīng)模型組成生產(chǎn)線總體模型。在這里，首先定義系統(tǒng)中所需要的物理對象，而定義對象前要先定義它所屬的類，建立系統(tǒng)所需要的對象類庫，并將對象類庫中的對象和三維模型庫中的模型關(guān)聯(lián)起來。對象類庫中每個類都具有特定的屬性，這些屬性都是通過采集數(shù)據(jù)得到的。如要建立車間的某機(jī)器類，首先要構(gòu)建該機(jī)器的三維模型，再設(shè)定其相關(guān)屬性，如機(jī)器加工所需的零部件、加工時間、所產(chǎn)生的成品等。結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)的實際情況，運用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模，可以將線仿真的對象類分成三大類：物理類，構(gòu)建設(shè)備建立生產(chǎn)場景；信息、控制類，包括工藝規(guī)劃、生產(chǎn)線運行過程控制、物流控制；服務(wù)類，包括生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計等，通過物理對象類的建立，構(gòu)建仿真物理模型。如圖1是冷軋廠鍍鋅分廠的一個工序的三維場景示意圖。圖1 冷軋廠鍍鋅分廠的一個工序的三維場景示意圖建立三維場景模型現(xiàn)在已經(jīng)具備成熟的建模方法和建模軟件，通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)如紋理、標(biāo)識、聲音等，加上精確的生產(chǎn)線圖紙可以建立精確的擬真的場景，甚至廠房中的光源效果也能精確的建模出來。比較流行的建模軟件有max，maya，creator等，對于大數(shù)據(jù)量的建模需求，采用creator進(jìn)行建模會達(dá)到更流暢的運行速度。 2、建立三維仿真模型三維場景模型展示的僅僅是靜態(tài)的信息，工藝流程動態(tài)仿真利用所建立的三維場景，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，按照工廠的實際情況對整條線的生產(chǎn)情況進(jìn)行三維動態(tài)仿真。布局設(shè)計階段建立的對象類只描述自身的特征和行為，對象之間并不能通訊；而仿真模型的建立階段通過描述對象之間的相互關(guān)系來進(jìn)行系統(tǒng)建模，實現(xiàn)系統(tǒng)中的物流、信息流和控制流的傳遞。通過定義對象類之間的相互關(guān)系來建立設(shè)備間的邏輯關(guān)系，從而建立仿真系統(tǒng)的邏輯模型。設(shè)備間的邏輯關(guān)系控制著設(shè)備的行為以及零件在設(shè)備間的流轉(zhuǎn)和成品的產(chǎn)生，通過邏輯模型的建立，對已經(jīng)布局好的線的工作流程進(jìn)行定義，使生產(chǎn)線上一個個松散的設(shè)備組成一個有機(jī)的生產(chǎn)系統(tǒng)。仿真邏輯模型即用物理模型展示隨時間的變化系統(tǒng)的不同狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)包括各設(shè)備的加工運作和狀態(tài)，與零件相關(guān)的事件以及零件在系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)的過程，通過系統(tǒng)不同狀態(tài)的展示來控制仿真模型的行為。生產(chǎn)仿真模型是實際生產(chǎn)系統(tǒng)的一個映射，實際生產(chǎn)系統(tǒng)中的約束條件抽象為仿真模型的約束條件，這些約束必須在邏輯模型中得以體現(xiàn)。邏輯模型建立中主要構(gòu)建了系統(tǒng)的信息、控制類，從而建立合理的工藝規(guī)劃，生產(chǎn)線運行過程控制、物流控制。如圖2是冷軋廠鍍鋅分廠開卷工序準(zhǔn)備示意圖。圖2 冷軋廠鍍鋅分廠開卷工序準(zhǔn)備示意圖要實現(xiàn)這部分仿真，關(guān)鍵是對生產(chǎn)線上的所有操作流程、連鎖效應(yīng)、操作面板動作、設(shè)備相應(yīng)及其詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行精確的采集和計算，形成完整的操作及響應(yīng)手冊。將這些手冊中的參數(shù)和場景中的對象模型映射起來，再進(jìn)行程序設(shè)計時，進(jìn)行邏輯關(guān)系的推演和計算，再用三維仿真引擎實時輸出繪制結(jié)果。常用的仿真引擎有virtools，vega和osg。virtools具備極強(qiáng)的擴(kuò)展功能和編程接口，考慮到系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)，可采用這種引擎。 3、生產(chǎn)線的仿真試驗對仿真模型驗證分析、修改模型參數(shù)的循環(huán)過程即優(yōu)化，這一階段主要涉及到系統(tǒng)的服務(wù)類。在建立仿真模型時，已確定了仿真系統(tǒng)的目標(biāo)變量和決策變量。制造系統(tǒng)經(jīng)足夠時間的仿真運行后，可生成評價生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以文本或圖表方式顯示，通過和生產(chǎn)線的操作人員和相關(guān)設(shè)計人員進(jìn)行系統(tǒng)評價，依據(jù)評價結(jié)果，可以選擇合理的參數(shù)方案進(jìn)行可變的生產(chǎn)規(guī)劃。這些數(shù)據(jù)有：設(shè)備的利用率；產(chǎn)品產(chǎn)量；加工成本；工人操作成本；運輸、廢料消耗分析等。 要進(jìn)行這部分仿真，需要一套詳細(xì)的生產(chǎn)線評價工具和培訓(xùn)考核指標(biāo)系統(tǒng)。再編制程序時將這部分?jǐn)?shù)據(jù)作為衡量指標(biāo)，實時輸出結(jié)果并對培訓(xùn)者的操作結(jié)果進(jìn)行評價和建議。3. 仿真系統(tǒng)能達(dá)到的目標(biāo)和功能該仿真系統(tǒng)的總體目標(biāo)是: 采用3d建模模擬生產(chǎn)環(huán)境,并對操作過程進(jìn)行實時的模擬,使無操作經(jīng)驗的從業(yè)人員,無須在實際操作的情況下,只通過計算機(jī)系統(tǒng),便可學(xué)習(xí)了解到生產(chǎn)的操作過程。同時對生產(chǎn)線的后續(xù)規(guī)劃設(shè)計提供多種方案展示。在目前的生產(chǎn)線培訓(xùn)過程中存在以下缺點： 現(xiàn)場實際培訓(xùn)存在操作故障風(fēng)險，由于誤操作可能帶來的斷帶，停機(jī)。 受訓(xùn)者不能頻繁操作，需要等待受訓(xùn)機(jī)會，自由度非常低，一年才1-2次機(jī)會，也許由于名額有限還無法受訓(xùn)。 培訓(xùn)效果的考評難度大，無法實際考核受訓(xùn)者的知識掌握程度，還只能停留在書面理論考試，無法實際模擬。 整體可視化效果差，在操作室操作后不具備整體展示效果。針對以上缺點，仿真系統(tǒng)可以達(dá)到以下目標(biāo)： 達(dá)到逼真的的三維效果，紋理和現(xiàn)實一致。 操作面板進(jìn)行和現(xiàn)實一致的可視化，對操作室的人